三相半波可控整流電路設計課程設計

1、<p>　　《電力電子技術課程》</p><p><b>　　課程設計說明書</b></p><p>　　課程名稱：三相半波可控整流電路設計</p><p>　　學 院： 電氣與信息工程學院 </p><p>　　專 業(yè)： 電氣工程及其自動化 </p>&l

2、t;p>　　學生姓名： </p><p>　　學 號： </p><p>　　指導教師： </p><p>　　時 間: 2013年6月9日 </p><p><b>　　摘 要&l

3、t;/b></p><p>　　整流電路就是把交流電能轉換為直流電能的電路。大多數(shù)整流電路由變壓器、整流主電路和濾波器等組成。它在直流電動機的調速、發(fā)電機的勵磁調節(jié)、電解、電鍍等領域得到廣泛應用。整流電路通常由主電路、濾波器和變壓器組成。20世紀70年代以后，主電路多用硅整流二極管和晶閘管組成。濾波器接在主電路與負載之間，用于濾除脈動直流電壓中的交流成分。變壓器設置與否視具體情況而定。變壓器的作用是實現(xiàn)交流

4、輸入電壓與直流輸出電壓間的匹配以及交流電網(wǎng)與整流電路之間的電隔離（可減小電網(wǎng)與電路間的電干擾和故障影響）。整流電路的種類有很多，有半波整流電路、單相橋式半控整流電路、單相橋式全控整流電路、三相橋式半控整流電路、三相橋式全控整流電路等。</p><p>　　關鍵詞：整流，變壓，觸發(fā)，晶閘管，額定。</p><p><b>　　目 錄</b></p>&

5、lt;p>　　摘 要 …………………………………………………………………………2</p><p>　　目 錄 …………………………………………………………………………3</p><p>　　引 言 …………………………………………………………………………4</p><p>　　一、三相半波整流電路原理分析 ………………………………………… 4</

6、p><p>　　1.1.1 純電阻性半波整流電路原理組成 …………………………… 4</p><p>　　1.2.1主電路設計 …………………………………………………… 4</p><p>　　1.3.1 電路原理波形分析 …………………………………………… 5</p><p>　　二、三相半波整流電路數(shù)量分析 …………………………………

7、……… 7</p><p>　　2.1.1 輸出值的計算 ………………………………………………… 7</p><p>　　2.2.1晶閘管的有效值 ……………………………………………… 8</p><p>　　三、器件額定參數(shù)計算 …………………………………………………… 8</p><p>　　3.1.1 變壓器參數(shù) ………………

8、…………………………………… 8</p><p>　　3.2.1 晶閘管參數(shù) …………………………………………………… 8</p><p>　　3.3.1 變壓器容量 …………………………………………………… 8</p><p>　　3.4.1 晶閘管額定電壓 ……………………………………………… 8</p><p>　　3.5.

9、1 晶閘管額定電流 ……………………………………………… 8</p><p>　　四、MATLAB軟件介紹 ……………………………………………………… 9</p><p>　　五、MATLAB軟件電腦仿真 ………………………………………………… 11</p><p>　　5.1.1 MATLAB軟件運用電腦仿真電路模型 ………………………… 11<

10、/p><p>　　5.2.1純阻性負載三相半波可控整流電路仿真圖像 ………………… 11</p><p>　　5.3.1 仿真結果和實際原理分析比較 ………………………………… 12</p><p>　　六、心得體會 ……………………………………………………………… 12

11、 </p><p>　　七、參考文獻 ……………………………………………………………… 13</p><p>　　八 致謝 …………………………………………………………………… 14</p><p><b>　　引言</b></p><p>　　基于 Matlab 的應用范圍非常廣，包括在信號和圖像處理、通

12、訊、控制系統(tǒng)設計、測試和測量、財務建模和分析以及計算生物學等眾多應用領域。運用 Matlab 軟件的處理能力，我們對三相橋式整理電路進行仿真分析，對純電阻性負載及電阻電感性負載時的工作情況進行對比分析與研究，用Matlab 軟件自帶的 Power System 工具箱進行仿真，給出仿真結果，檢驗所建模型的正確性。</p><p>　　一、三相半波整流電路原理分析</p><p>　　1.1

13、 .1純電阻性半波整流電路原理組成</p><p>　　三相半波可控整流電路純電阻性負載，如圖所示。圖中T為整流變壓器，為了得到中性線，整流變壓器的二次接成星形，一次繞組接成三角形，使三次諧波都能夠通過，減少了高次諧波對電網(wǎng)的影響。為了得到零線，整流變壓器的二次繞組必須接成星形，而一次繞組多接成三角形，使其3次諧波能夠通過，減少高次諧波的影響。三個晶閘管的陽極分別接入u、v、w三相電源，它們的陰極連接在一起，稱共

14、陰極接法，這對觸發(fā)電路有公共線者連線較方便，用得較廣。</p><p>　　1.2.1主電路設計</p><p>　　其原理圖如圖1所示。</p><p>　　圖1 三相半波可控整流電路原理圖</p><p>　　1.3.1 電路原理波形分析</p><p>　　圖 1.1三相半波可控整流電路電阻負載，α=120&#

15、176;時的波形</p><p>　　穩(wěn)定工作時，三個晶閘管的觸發(fā)脈沖互差120º，規(guī)定ωt=2π/3為控制角α的起點，稱為自然換相點。三相半波共陰極可控整流電路自然換相點是三相電源相電壓正半周波形的交叉點，在各相相電壓的ωt=2π/3處。</p><p>　　在ωt1時刻觸發(fā)VT1，在ωt1～ωt2區(qū)間有uu＞uv、uu＞uw，u相電壓最高，VT1承受正向電壓而導通，輸出電壓u

16、d＝uu。其他晶閘管承受反向電壓而不能導通。VT1通過的電流iT1與變壓器二次側u相電流波形相同，大小相等。</p><p>　　在ωt2時刻觸發(fā)VT2，在ωt2～ωt3區(qū)間 v相電壓最高，由于uu＜uv，VT2承受正向電壓而導通， ud＝uv。VT1兩端電壓uT1=uu-uv= uuv<0，晶閘管VT1承受反向電壓關斷。</p><p>　　在VT2導通期間，VT1兩端電壓uT1=

17、 uu-uv= uuv。在ωt2時刻發(fā)生的一相晶閘管導通變換為另一相晶閘管導通的過程稱為換相。</p><p>　　在ωt3時刻觸發(fā)VT3，在ωt3～ωt4區(qū)間w相電壓最高，由于uv＜uw，VT3承受正向電壓而導通，ud＝uw。VT2兩端電壓 uT2= uv-uw=uvw<0，晶閘管VT2承受反向電壓關斷。在VT3導通期間VT1兩端電壓uT1= uu-uw= uuw。</p><p>

18、;　　這樣在一周期內，VT1只導通2π/3，在其余π/3時間承受反向電壓而處于關斷狀態(tài)。只有承受高電壓的晶閘管元件才能被觸發(fā)導通，輸出電壓ud波形是相電壓的一部分，每周期脈動三次，是三相電源相電壓正半波完整包絡線，輸出電流id與輸出電壓ud波形相同 (id=ud/R)。</p><p>　　電阻性負載α=0º 時，VT1在VT2、VT3導通時僅承受反壓，隨著α的增加，晶閘管承受正向電壓增加；其他兩個晶閘

19、管承受的電壓波形相同，僅相位依次相差120º。增大α，則整流電壓相應減小。</p><p>　　α=30º是輸出電壓、電流連續(xù)和斷續(xù)的臨界點。當α＜30º時，后一相的晶閘管導通使前一相的晶閘管關斷。</p><p>　　當α＞30º時，導通的晶閘管由于交流電壓過零變負而關斷后，后一相的晶閘管未到觸發(fā)時刻，此時三個晶閘管都不導通，直到后一相的晶閘管被觸

20、發(fā)導通。</p><p>　　從上述波形圖可以看出晶閘管承受最大正向電壓是變壓器二次相電壓的峰值，UFM =U2，晶閘管承受最大反向電壓是變壓器二次線電壓的峰值，URM=× U2 =U2。α=150º時輸出電壓為零，所以三相半波整流電路電阻性負載移相范圍是0º～150º。</p><p>　　如果將電路中的晶閘管換成整流管，那么整流元件就在Wt1.

21、Wt2.Wt3，處自然換相，并總是換到電壓最高的一相上去，相應的輸出a相，b相，c相電壓。因此相電壓的交點就是三相半坡電路的自然換相點，即該出的a=0°。在Wt1--Wt</p><p>　　2期間內，a相電壓U最高，在Wt2--Wt3期間內，b相電壓最高，在Wt2時刻觸發(fā)晶閘管T2,可使T2導通，此時T1因承受反向電壓而關斷，負載上得到b相電壓Ub...如此，各晶閘管都按同樣的規(guī)律依次觸發(fā)導通并關斷前

22、面一個已導通的晶閘管。</p><p>　　圖（a）所示，是三相電壓觸發(fā)脈沖。</p><p>　　圖（b）所示，各晶閘管上的觸發(fā)導通脈沖相序應與電源的相序相同。各相觸發(fā)脈沖依次間隔120°，每相晶閘管各導電120°，負載電流波形與整流電壓波形相同，是連續(xù)的。</p><p>　　圖（c）所示，輸出的整流電壓時三相交流相電壓正半周期線。</

23、p><p>　　圖（d）所示，是變壓器a相繞組，即流經(jīng)晶閘管T1的電流波形，可見變壓 器繞組中通過的是直流脈沖電流。</p><p>　　圖（e）是晶閘管T1兩端的電壓Ut1的波形。</p><p>　　二、三相半波整流電路數(shù)量分析</p>&

24、lt;p>　　2.1.1 輸出值的計算</p><p>　　三相橋式全控整流電路中，整流輸出電壓的波形在一個周期內脈動3次，且每次脈動的波形相同，因此在計算其平均值時，只需對一個脈波（即1/3周期）進行計算即可。對于電阻性負載而言，當<時，各晶閘管上的觸發(fā)脈沖，其相序與電源的相序相同，各相觸發(fā)脈沖依次間隔，在一個周期內，三相電源輪流向負載供電，每相晶閘管各導電，負載電流是連續(xù)的。增大值，即觸發(fā)脈沖后移

25、，則整流電壓相應減小。當=時，從輸出電壓、電流的波形可看出，這時負載電流處于連續(xù)和斷續(xù)的臨界狀態(tài)，各項仍導電。如果>，例如=120°，如上圖1.1所示，當導通的一相的相電壓過零變負時，該相晶閘管關斷，此時下一相晶閘管雖然承受正向電壓，但它的觸發(fā)脈沖還未到，不會導通，姑輸出電壓和電流都為零，直到下一相觸發(fā)脈沖出現(xiàn)為止，顯然電流斷續(xù)，各晶閘管導電時間都小于。如果角繼續(xù)增大，那么整流電壓將越來越小。當=時，整流輸出電壓為零。故

26、電阻負載時要求的移相范圍為。</p><p>　　下面分兩種情況來計算整流電壓的平均值：</p><p>　?。?）≤30時，負載電流連續(xù)，有：</p><p><b>　　當時，為最大，。</b></p><p>　?。?）a>30時，負載電流斷續(xù)，晶閘管導通角減小，此時有：</p><p&g

27、t;<b>　　當時， </b></p><p>　　負載電流的平均值為 </p><p>　　由于晶閘管是交替工作的，流過晶閘管的平均電流為 </p><p>　　2.2.1晶閘管的有效值：</p><p><b>　?。?）≤30時</b></p><p&g

28、t;<b>　?。?）a>30時，</b></p><p>　　三．器件額定參數(shù)計算</p><p>　　3.1.1 變壓器參數(shù)</p><p>　　有要求之電壓在100V</p><p>　　當=120°時，U2=100V。</p><p>　　由公式3-2，得 =-58.456

29、V</p><p>　　3.2.1 晶閘管參數(shù)</p><p>　　把=100V，=58.456V代入公式3-4知：考慮到一定的電壓裕量，</p><p><b>　　Id=Ud/R</b></p><p>　　3.3.1變壓器容量</p><p><b>　　由，把、代入知</

30、b></p><p>　　3.4.1 晶閘管額定電壓</p><p>　　晶閘管電壓定額（一般取額定電壓為正常工作電壓時晶閘管所承受峰值電 壓的2-3倍）</p><p><b>　　=(2~3) </b></p>

31、<p>　　3.5.1晶閘管額定電流</p><p>　　晶閘管通態(tài)平均電流：</p><p>　　IT=IT/1.57</p><p>　　考慮裕量，晶閘管電流定額（一般取其平均電流的1.5~2倍）</p><p><b>　　=(1.5~2) </b></p><p>　　故晶閘管

32、的額定電流取為20A</p><p>　　四、MATLAB軟件</p><p>　　MATLAB是由美國mathworks公司發(fā)布的主要面對科學計算、可視化一級交互式程序設計的高科技計算環(huán)境。它將數(shù)值分析、矩陣計算、科學數(shù)據(jù)可視化以及非線性動態(tài)系統(tǒng)的建模和仿真等諸多強大功能集成在一個易于使用的視窗環(huán)境中，為科學研究、工程設計以及必須進行有效數(shù)值計算的眾多科學領域提供了一種全面的解決方案，并

33、在很大程度上擺脫了傳統(tǒng)非交互式程序設計語言的編輯模式，代表了當今國際科學計算軟件的先進水平。</p><p>　　MATLAB和Mathematica、Maple并稱為三大數(shù)學軟件。它在數(shù)學類科技應用軟件中在數(shù)值計算方面首屈一指。MATLAB可以進行矩陣運算、繪制函數(shù)和數(shù)據(jù)、實現(xiàn)算法、創(chuàng)建用戶界面、連接其他編程語言的程序等，主融建模設計與分析等領域。</p><p>　　MATLAB的基本

34、數(shù)據(jù)單位是矩陣，它的指令表達式于數(shù)學、工程中常用的形式十分相似，故用MATLAB來解決問題要比用C，F(xiàn)ORTRAN的語言完成相同的事情簡單快捷的多，并且MATLAB也吸收了想Maple等軟件的優(yōu)點，使MATLAB成為一個強大的數(shù)學軟件。在新的版本中也加入了對C、FORTRAN、C++、JAVA的支持?？梢灾苯诱{用用戶也可以將自己編輯的實用程序導入到MATLAB函數(shù)庫中方便以后調用，此外許多MATLAB愛好者都編輯了一些經(jīng)典的程序實例，可

35、供用戶自由的調用下載使用。</p><p>　　Simulink是MATLAB最重要的組件之一，它提供一個動態(tài)系統(tǒng)建模、仿真和綜合分析的集成環(huán)境。在該環(huán)境中，無需大量書寫程序，而只需要通過簡單直觀的鼠標操作，就可構造出復雜的系統(tǒng)。Simulink具有適應面廣、結構和流程清晰及仿真精細、貼近實際、效率高、靈活等優(yōu)點，并基于以上優(yōu)點Simulink已被廣泛應用于控制理論和數(shù)字信號處理的復雜仿真和設計。同時有大量的第三

36、方軟件和硬件可應用于或被要求應用于Simulink。</p><p>　　Simulink是MATLAB中的一種可視化仿真工具， 是一種基于MATLAB的框圖設計環(huán)境，是實現(xiàn)動態(tài)系統(tǒng)建模、仿真和分析的一個軟件包，被廣泛應用于線性系統(tǒng)、非線性系統(tǒng)、數(shù)字控制及數(shù)字信號處理的建模和仿真中。Simulink可以用連續(xù)采樣時間、離散采樣時間或兩種混合的采樣時間進行建模，它也支持多速率系統(tǒng)，也就是系統(tǒng)中的不同部分具有不同的采

37、樣速率。為了創(chuàng)建動態(tài)系統(tǒng)模型，Simulink提供了一個建立模型方塊圖的圖形用戶接口(GUI) ，這個創(chuàng)建過程只需單擊和拖動鼠標操作就能完成，它提供了一種更快捷、直接明了的方式，而且用戶可以立即看到系統(tǒng)的仿真結果。 </p><p>　　Simulink是用于動態(tài)系統(tǒng)和嵌入式系統(tǒng)的多領域仿真和基于模型的設計工具。對各種時變系統(tǒng)，包括通訊、控制、信號處理、視頻處理和圖像處理系統(tǒng)，Simulink提供了交互式圖形化環(huán)

38、境和可定制模塊庫來對其進行設計、仿真、執(zhí)行和測試。. </p><p>　　構架在Simulink基礎之上的其他產(chǎn)品擴展了Simulink多領域建模功能，也提供了用于設計、執(zhí)行、驗證和確認任務的相應工具。Simulink與MATLAB緊密集成，可以直接訪問MATLAB大量的工具來進行算法研發(fā)、仿真的分析和可視化、批處理腳本的創(chuàng)建、建模環(huán)境的定制以及信號參數(shù)和測試數(shù)據(jù)的定義。</p><p>

39、;　　五、 MATLAB軟件電腦仿真</p><p>　　5.1.1 MATLAB軟件運用電腦仿真電路模型</p><p>　　5.2.1 純阻性負載三相半波可控整流電路α=0°和α=60°仿真圖像</p><p>　　相應的參數(shù)設置：（1）交流電壓源參數(shù)設置 U=100 V f=25 HZ ，三相電源相位依次延遲120°。（2）晶閘

40、管參數(shù)設置 Rn=0.001 ,Lon=0.0001 H ，RS=50 ,Cs=250e-6 F 。（3）負載參數(shù)設置 R=10 ，L=0 H ，C=inf 。（4）脈沖發(fā)生器的振幅為5 V ，周期為 0.04 S（即頻率 25 HZ），脈沖寬度為2 。當α=0°時，設為0.003 3 ，0.016 6 ，0.029 9 S 。此時的仿真結果如下圖（a）所示;當α=60°時，觸發(fā)信號初相位依次設為 0.01 ，

41、0.023 3 ，0.036 6 S 。此時仿真結果如圖（b）所示。</p><p>　　5.3.1 仿真結果和實際原理分析比較</p><p>　　仿真結果和實際原理分析結果基本上保持一致。在某些方面還存在著誤差，這些誤差可以忽略不計。</p><p><b>　　六、 心得體會</b></p><p>　　此次《電子

42、技術》課程設計，所謂“態(tài)度決定一切”，于是偶然又必然地收獲了諸多，概而言之，大約以下幾點： </p><p>　　首先，我學會了對相關科技文獻的搜索，一切科學研究都是建立在前人研究的基礎之上的。因此，對于相關文獻資料的搜索顯得尤為重要。在現(xiàn)代社會中，隨著計算機的普及以及網(wǎng)絡技術的發(fā)展，對于文獻的搜索已經(jīng)從圖書館的紙質資料轉移到網(wǎng)絡平臺下的電子文檔。通過畢業(yè)課程設計，我詳細的學習并掌握了中國知網(wǎng)、萬方數(shù)據(jù)庫等數(shù)據(jù)庫

43、的搜索與使用。</p><p>　　其次，在畢業(yè)課程設計的過程中，又對學過的知識做了一次回顧，并且更深層次的對所學的知識進行掌握，理解了以前不理解的內容。通過實際操作MATLAB軟件更進一步加深了對仿真技術的認識，并能初步設計和處理一些常見的三相整流電路故障。了解了以前沒有學習的內容，使自己的知識面更加的豐富，并慢慢喜歡上MATLAB 給我們帶來的方便。</p><p>　　而后，通過對這

44、次畢業(yè)課題的設計寫作中，不僅磨練了我的意志同時也大大的加強了我對知識的主觀需求。深刻體會到知識改變命運，這句話的精髓所在。更加使我對知識的渴望無限的放大，努力學習不盡所求。</p><p>　　最后，通過這次畢業(yè)課程設計還使我了解了科技論文的寫作規(guī)范，熟悉了系列軟件在文字處理與排版等方面的使用。</p><p>　　總之，這次畢業(yè)課程設計不是簡簡單單的完成了一個課題，而是使我初步的掌握了科

45、學研究的步驟與方法，更是一種成長，一種經(jīng)歷。這種磨練是金錢買不到也換不來的。通過這次畢業(yè)課題設計鞏固了我的專業(yè)知識，練習了我的實際操作能力，鍛煉了我分析解決問題的能力，為今后的學習打下了堅實的基礎。</p><p><b>　　七、 參考文獻</b></p><p>　　[1].王兆安.電力電子技術.機械工業(yè)出版社.2009</p><p>　

46、　[2].李傳琦.電力電子技術計算機仿真實驗.電子工業(yè)出版社.2005</p><p>　　[3].洪乃剛.電力電子和電力拖動控制系統(tǒng)的MATLAB仿真.機械工業(yè)出版社.2006</p><p>　　[4].鐘炎平.電力電子電路設計.華中科技大學出版社.2010</p><p><b>　　致謝</b></p><p>

47、　　在這次課程設計的撰寫過程中，我得到了許多人的幫助。 首先我要感謝**等老師在課程設計上給予我的指導、提供給我的支持和幫助，這是我能順利完成這次報告的主要原因，更重要的是老師幫我解決了許多技術上的難題，讓我能做得更加完善。在此期間，我不僅學到了許多新的知識，而且也開闊了視野，提高了自己的設計能力。 其次，我要感謝幫助過我的同學，他們也為我解決了不少我不太明白的設計上的難題。同時也感謝學院為我提供良好的做課程設計的環(huán)境。